Reprodukní systémy rostlin Zpsob rozmnožování rostlin je dležitý údaj pro šlechtitele, protože se od nj odvíjí píslušné metody šlechtní daného druhu a udržení výsledku šlechtní z hlediska zachování genetické identity. Díve se základní rozdíly v postupech šlechtní odvíjely od samosprašnosti a cizosprašnosti, dnes se metody šlechtní u tchto dvou skupin pekrývají. V této kapitole budou shrnuty poznatky o zpsobu rozmnožování rostlin, které souvisí s následujícími znalostmi: 1. Typy životního cyklu rostlin a jeho dopad na šlechtní. 2. Základní typy kvtní morfologie. 3. Mechanizmy opylení a oplození. 4. Význam samosprášení a cizosprášení rostlin ve šlechtní. 5. Vynucené opylení a jeho dopad ve šlechtní. 6. Genetika a aplikace autoinkompatibility. 7. Genetika a aplikace samí sterility ve šlechtní. 1 Zpsoby rozmnožování rostlin Pro zachování jakéhokoli rostlinného organizmu je nutné stídání generací, které je umožnno rozmnožováním (obr. 1). U rostlin rozeznáváme ti základní zpsoby rozmnožování: (1) nepohlavní, amixie (amixis), (2) pohlavní, amfimixie (amfimixis), (3) apomiktické, apomixie (apomixis). 1
Obr. 1: Schéma životního cyklu dvoudložné rostliny Nicotiana tabacum. 1.1 Amixis Amiktické, nepohlavní rozmnožování je nejprimitivnjším zpsobem rozmnožování, pi nmž není organizmus schopen pohlavní diferenciace. Tento zpsob rozmnožování je typický pro nejnižší organizmy, u vyšších rostlin se však mže vyskytovat soubžn s rozmnožováním generativním (pohlavním). Pi nepohlavním rozmnožování vzniká jedna rostlina z jednoho rozmnožovacího základu, a to bu z rozmnožovací buky nebo ze složitjší ásti mateského tla. Po oddlení od mateské rostliny vyrstají z tohoto rozmnožovacího základu pímo noví samostatní jedinci, kteí vznikli pouze mitotickým dlením bunk. U rostlin se tento zpsob rozmnožování nazývá vegetativní. Velká regeneraní schopnost rostlin, kdy oddlená ást vytváí za vhodných podmínek postupn všechny orgány, byla pozorována a využívána už dávno. Z genetického hlediska je zajímavé, že tato regeneraní schopnost je asto zachována i u vysoce specializovaných orgán, jako nap. u list. Mnoho rostlin vytváí speciáln diferencované orgány, které ásten nebo zcela slouží k nepohlavnímu rozmnožování. Jsou to nap. koenové hlízy (Dahlia variabilis, Ipomea batata, Ficaria verna), oddenky, jako metamorfózy stonku (Convalaria, Agropyron, Agrostis), stonkové hlízy oddenkové (Solanum 2
tuberosum, Helianthus tuberosus), a bazální (Gladiolus, Colchicum, Crocus, Cyclamen), cibule a cibulky jako metamorfózy list (Allium cepa, Lilium) aj. Vegetativní potomstvo jedné rostliny se nazývá klon. Klon jako základní jednotku amikticky se množících rostlin mžeme definovat jako uritý poet genotypov shodných jedinc, kteí vznikli vegetativn z jediného pvodního organizmu. Vegetativní cestou tedy mžeme získat velké množství geneticky identických rostlin nehled na genetickou konstituci výchozí formy. Stálost klon však není absolutní. Nezídka dochází ke genotypovým a fenotypovým zmnám, jež jsou výsledkem spontánní mutace v uritém sektoru pletiva nebo v urité buce. Tyto zmny byly již Darwinem oznaeny jako pupenové variace nebo-li sporty. Vznikají tedy somatickou mutací (spontánn i indukovan) v jedné nebo více iniciálách pupenu. Výhon, který se vyvíjí z takového pupenu ponese mutantní znak pouze pokud byl píslušný gen v heterozygotní konstituci. Fakta o pupenových variacích, jak se s nimi setkávali praktití šlechtitelé v minulosti, shrnul poprvé velmi podrobn práv Darwin, který zdrazoval, že pupenové variace nejsou zvláštním znakem nkterých rostlinných forem, nýbrž jsou vlastní nejrznjším pedstavitelm kulturních i planých forem druh. Dnes známe mnoho odrd ovocných strom, okrasných rostlin a zelenin, které vznikly cestou pupenových variací. Jsou to pedevším stovky odrd chryzantém, rží a brambor a vtšina odrd citrusových strom. Tyto somatické mutace se mohou týkat znak a vlastností morfologických (tvar, barva, velikost orgán apod.) i fyziologických (ranost, rezistence k chorobám a škdcm, obsah uritých látek apod.). Velké regeneraní schopnosti rostlin se využívá v širokém mítku v zemdlské praxi a v zahradnictví. Takto nepohlavn lze množit vysoce heterozygotní odrdy, které by se pi rozmnožování pohlavní cestou rozpadly na množství rzných genotyp. Týká se to pedevším ovocných devin a rží, u kterých se uplatuje technika roubování nebo okování. V podstat jde o transplantaci vtší ásti rostliny s nkolika pupeny (roub) nebo pouze jednoho pupenu (oko) na vhodnou podnož. Vegetativn se množí také okrasné stromy a kee, chmel, cukrová ttina, brambory, cibule, esnek, jahodník a mnohé rostliny okrasné kvtem. Vegetativní rozmnožování se ve šlechtitelské praxi používá jako následná metoda pohlavního rozmnožování k udržení heterozygotnosti a hybridní zdatnosti. Nkdy mže sloužit i ke zvýšení podílu rostlin jednoho pohlaví v populacích (jako nap. namnožení samích rostlin u palmy datlové) nebo k udržení autoinkompatibilních rostlin (avokádo). Vegetativní rozmnožování je možné využít k získání klon bez patogen technikou explantátových kultur in vitro. Pedností nepohlavního rozmnožování vzhledem k zachování druhu je tedy potenciáln neomezená možnost zvýšení poetnosti geneticky identických potomk jednoho jedince, tj. vytvoení tzv. klonu. Vegetativn množené kulturní druhy je možné rozdlit do dvou kategorií: (1) Pstované pro konkrétní vegetativní orgán brambory, cukrová ttina, yam, kasava. U tchto druh se vyskytují jisté reprodukní abnormality, jako je omezené kvetení a fertilita. U nkterých druh, nap. brambor, se vyskytuje cytoplazmatická samí sterilita. (2) Pstované pro plody nebo výsledek reprodukce ovocné stromy a kee jako je nap. jablo, hruše, vinná réva, jahody, banány. 3
Význam vegetativního rozmnožování ve šlechtní (1) Vegetativn množené druhy s životaschopnými semeny a fertilitou pylu lze šlechtit prostednictvím hybridizace. (2) Na rozdíl od hybridizace u pohlavn množených druh to obvykle vyžaduje další kroky k fixaci genetické rozmanitosti u genotypu, který se má stát odrdou (s výjimkou hybridní odrdy). Taková odrda vzniká hned po kížení, ze kterého vznikne žádoucí genotyp. Šlechtní je tedy rychlé. (3) Pro zlepšení druhu, jehož ekonomický význam pinášejí vegetativní orgány, není nutná fertilita hybrid. (4) Vzhledem ke schopnosti vegetativního množení z ásti rostlin, k získání potomstva staí jedna rostlina. (5) Je možné fixovat heterozi (pokud se vyskytuje) v potomstvu hybrida. (6) Rychlé získání velkého množství materiálu z klon pro výsadbu je obtížné. (7) Druhy s parthenokarpií (banány) nelze šlechtit prostednictvím tvorby hybrid. (8) Šlechtní manga a citrus s polyembryonií je obtížné, protože klony rodi jsou kombinovány s hybridním potomstvem. (9) Vegetativní plodiny jsou vytrvalé a cizosprašné a nevhodné pro inbriding. Jsou vysoce heterozygotní. (10) Na rozdíl od pohlavn se množících plodin, u nichž je genotyp na konci šlechtní znám, u vegetativních plodin je genotyp fixován a uren na zaátku. 1.2 Amfimixis Amfimixie je pohlavní rozmnožování, které pedstavuje evolun progresivnjší reprodukci potomstva. Jeho pedností je zajištní genetické rozmanitosti zabezpeující pizpsobení organizm vnjšímu prostedí. Pro tento zpsob rozmnožování je typická tvorba diferencovaných reprodukních orgán a stídání pohlavní haploidní generace (gametofytu), produkující gamety, s nepohlavní diploidní generací (sporofytem). U nižších rostlin pevažuje fáze gametofytu nad sporofytem, zatímco u vyšších rostlin je tomu naopak. U krytosemenných rostlin jsou generativní orgány souástí specifické ásti rostliny kvtu. Samiím pohlavním orgánem je pestík (pistillum) vznikající srstem jednoho nebo více plodolist (megasporofyl). Pestík je obvykle rozlišen na semeník (ovarium), nlku (stylus) a bliznu (stigma). Makrosporogeneze a makrogametogeneze Uvnit semeníku se vyvíjí vajíko (nebo vajíka). Základem pro vznik samiího gametofytu je diploidní tzv. archesporová buka, ze které vznikne dlením mateská buka megaspory. Redukním dlením vzniká v procesu megasporogeneze samií výtrus (megaspora, neboli primární zárodený vak). V dalším procesu se megaspora petváí na zralý zárodený vak se samií pohlavní bukou (oosférou). Vznik samií gamety se oznauje jako megagametogeneze. V zárodeném vaku se vyvíjí krom vajené buky ješt dv pomocné 4
buky (synergidy), které s ní spolen tvoí tzv. vajený aparát. Proti nim se formují ti buky, tzv. protistojné (antipody). Uvnit zárodeného vaku se nachází ješt centrální jádro zárodeného vaku (obr. 2). Mikrosporogeneze a mikrogametogeneze Samím pohlavním orgánem v kvtu je tyinka (mikrosporofyl) tvoená nitkou (filamentum) a prašníkem (anthera). Prašník se skládá ze dvou prašných vák, z nichž každý obsahuje dv prašná pouzdra. Uvnit prašných pouzder vznikají ze sporogenních bunk mitotickým dlením pylové mateské buky. V nich pak redukním dlením vznikají v procesu mikrosporogeneze tyi haploidní mikrospory (pylová zrna). Pylové zrno se ješt ped opuštním prašného pouzdra mitoticky dlí na malou buku rozmnožovací (generativní) a vtší buku lákovou (vegetativní), takže pylové zrno je pak dvoubunné. Generativní buka se ješt jednou dlí na dv spermatické buky (samí gamety). Tento vznik samích pohlavních bunk je oznaován jako mikrogametogeneze (obr. 2). Obr. 2: Schéma tvorby samích a samiích spor a gamet. Oplození krytosemenných rostlin Po opylení, tj. penosu pylu z prašníku na bliznu, dochází k oplození. Pro všechny krytosemenné rostliny je charakteristické dvojité oplození, které spoívá v tom, že jedna spermatická buka splyne s vajenou bukou a druhá spermatická buka splyne s centrálním jádrem zárodeného vaku. Po splynutí bunk (plazmogamii) následuje splynutí jejich jader (karyogamie). Celý tento proces se nazývá syngamie. Z oplozené vajené buky vzniká diploidní zygota a z oplozené centrální buky zárodeného vaku se vyvíjí endosperm (nejastji triploidní). 5
Celý proces vývoje samího a samiího gametofytu a oplození u krytosemenných rostlin je znázornn na obr 2. Trvání rstového cyklu Z hlediska šlechtní je dležité vdt, jaký životní cyklus má daný rostlinný druh. Strategie šlechtní jsou závislé na délce trvání tohoto rstového cyklu. Krytosemenné rostliny lze z tohoto hlediska rozdlit do ty kategorií. Jednoleté druhy Jednoleté druhy dokoní svj rstový cyklus v jednom vegetaním období (kukuice, pšenice, irok). Jednoleté rostliny lze dále rozdlit na ozimé (ozimy) a jarní (jainy). Jednoleté ozimy (pšenice) rostlou ásti dvou sezón. Jsou vysety na podzim a procházejí dležitými fyziologickými zmnami, tzv. vernalizací, která je nezbytná pro kvetení a zrání následující jaro. Nkteré druhy, které nejsou jednoleté (nap. bavlník), lze v dsledku vernalizace pstovat jako by byly jednoleté. Dvouleté druhy Dvouleté druhy dokoní svj rstový cyklus bhem dvou vegetaních období. V prvním roce vytváejí koeny a listy, vytvoí kvty a plody, a cyklus koní uhynutím rostliny ve druhém roce. Dvouleté druhy obvykle vyžadují speciální podmínky prostedí (vernalizace), aby byla aktivována reprodukní fáze rstu. Nap. u cukrové epy probhne vegetativní rst první rok, bhem zimy dojde k vernalizaci a na jae zaíná generativní rst. Vytrvalé druhy Vytrvalé druhy jsou schopné opakovat svj rstový cyklus nekonen dlouho, aniž dochází k uhynutí rostliny. Mohou to být byliny, které vytváení podzemní vegetativní orgány (oddenky) nebo povrchové struktury (stolony=stonkové výbžky). Také to mohou být deviny kee (vinná réva) nebo stromy (pomeranovník). Monokarpní druhy Pro monokarpní druhy jsou charakteristické dlouhé vegetativní cykly opakované po mnoho let, aniž by pešly do fáze reprodukní. Jestliže vykvete, rostlina potom uhyne (bromélie). Nová rostlina vznikne z koenového systému staré rostliny. Nkteré druhy, které jsou v pírodních podmínkách dvouleté, je možné pstovat jako jednoleté. Nap. cukrová epa se tak pstuje pro svoje koeny. K úelm šlechtní jsou rostliny ponechány, aby vykvetly a mohly se kížit a byla získána semena. 1.3 Apomixis Apomiktický zpsob rozmnožování je považován za fylogeneticky nejmladší, odvozený od pohlavního rozmnožování. Apomixie je nepohlavní zpsob rozmnožování semeny, pi kterém nový jedinec vzniká bez splynutí samích a samiích gamet (tj. bez syngamie) a nevyvíjí se tedy ze zygoty. Je to komplexní znak vyplývající z nkolika modifikací pohlavního cyklu rostlin. Zaátkem minulého století se chápala apomixie v širším smyslu. Nap. Winkler pod tento pojem zahrnoval viviparii a ostatní formy vegetativního rozmnožování. Tato široce chápaná 6
definice se dnes již nepoužívá. V souasné dob se vegetativní rozmnožování do tohoto pojmu nezahrnuje. Základní výzkum vzniku, rozšíení a klasifikace apomixie spadá do poloviny 40. let minulého století. Zasloužil se o to pedevším švédský botanik Gustafsson a pozdji v 60. letech indický vdec Battaglia. Apomixis v užším slova smyslu tedy chápeme jako nepohlavní zpsob rozmnožování semeny (agamospermie), pro který jsou typické následující odchylky v porovnání s pohlavním rozmnožováním: (1) modifikace nebo úplné vynechání meiózy, (2) tvorba neredukovaných megaspór, (3) partenogenetický vývoj embrya, (4) autonomní (nezávislý na opylení) nebo pseudogamní (závislý na opylení) vývoj endospermu. V dsledku uvedených odchylek se vytváejí embrya (a potomstvo), která jsou pesnou genetickou kopií mateské rostliny. Apomixie zahrnuje dva typy reprodukce: (1) gametofytickou apomixii a (2) adventivní embryonii (sporofytickou apomixii). Gametofytická apomixie Tento zpsob apomixe pedpokládá pozmnnou megasporogenezi, pi které nedochází k redukci potu chromozom, tzn., že vzniklý primární zárodený vak (megaspora) a z nho odvozený zralý zárodený vak (samií gametofyt) nemá redukovaný poet chromozom. Dalším pedpokladem úspšné apomixe je schopnost neoplozené vajené buky (s neredukovaným potem chromozom 2n) vytváet embryo. Tato schopnost se nazývá (diploidní) partenogeneze. Oba procesy jsou pod nezávislou genetickou kontrolou a jsou determinované pravdpodobn polygenn. Vedle diploidní partenogeneze se nkdy do apomixe zahrnuje i haploidní partenogeneze, kdy se haploidní zárodek tvoí z neoplozené vajené buky (gynogeneze) nebo mikrospory (androgeneze). Podle pvodu a zpsobu vzniku zárodeného vaku a odchylek v megagametogenezi se rozlišují dva typy gametofytické apomixe: (1) diplosporie a (2) aposporie. Pro diplosporii je typický vznik neredukovaného zárodeného vaku z buky samiího archesporia (obr. 3). Pro tento typ apomixe se užívá synonym mitotická, somatická, pímá diplosporie, generativní aposporie aj. Embryonální vak se vytváí z neredukované megaspory nebo mateské buky megaspory. Embryo se vyvíjí partenogeneticky. Endosperm se vyvíjí autonomn z neredukovaných centrálních jader také bez oplození (Compositae). Mže mít promnlivou úrove ploidie. U rod Ergastosis a Tripsacum je pro tvorbu endospermu nezbytné opylení (tzv. pseudogamie). Meiotická diplosporie se vyskytuje u rod Arabis, Paspalum, Taraxacum, Ixerix a zástupc nkterých rod Compositae. Mitotická diplosporie byla zjištna u rodu Antennaria. 7
U polyploidních druh Allium nutans (2n = 40), A. odoratum (2n = 32) a A. tuberosum (2n = 32) je diplosporie typu Allium. U tchto druh dochází k premeotickému zdvojení chromozom endomitózou. Vznikají dva identické chromozomy, oba se dvma chromatidami. Bhem následující meiózy se párují sesterské chromozomy a tvoí autobivalenty. Vzniká tetráda jader rodiovského genotypu. Pi aposporii (nkdy též somatické aposporii) vzniká neredukovaný zárodený vak z nkteré jiné somatické buky nucelu, než ze které vzniká archesporová buka (obr. 3). Aposporie i amfimixie mohou probíhat v jednom vajíku. Pi vývoji aposporních zárodených vak dochází k ad morfologických odchylek v uspoádání a polarit, které slouží jako kriterium pro klasifikaci jednotlivých typ (typy: Hieracium, Poa, Panicum, Andropogon). U typu Hieracium se tvoí neredukovaný osmijaderný bipolární embryonální vak. Embryonální vak typu Panicum je zpravidla neredukovaný tyjaderný monopolární. Pro vývoj endospermu je u vtšiny druh s výjimkou Hieracium spp. nezbytné opylení. Aposporie je astým apomiktickým mechanizmem u ady druh trav patících k rodm Pennisetum, Poa, Paspalum a Cenchrus. Obr. 3: Jednotlivé typy apomixie. 8
Autonomní a pseudogamní apomixie Nkdy se apomixie rozlišuje podle závislosti na opylení a oplození. Autonomní apomixie je funkn spjata s diploidní partenogenezí. Vývoj embrya je zcela nezávislý na stimulaci opylením. Tento jev je pomrn vzácný a vyskytuje se vtšinou u apomikt z eled Asteraceae. Jako píklad se uvádí Antennaria alpina, u které jsou v mnoha populacích známé pouze samií rostliny. Vedle autonomní apomixie existuje pseudogamní apomixie (pseudogamie), kdy je pro vznik semen zapotebí opylení, pestože embryo nevzniká oplozením. Pseudogamie je typická pro vtšinu apomikt z eled Rosaceae. Je zejmé, že apomiktický zpsob rozmnožování má adu modifikací, které vedly k etným pokusm o jejich utídní a klasifikaci. Pitom vznikla celá ada synonym, což vedlo k velkému potu rozdíln chápaných termín. Uvádíme jednu z výstižných klasifikací typ apomixis. Píiny vzniku apomixie I když bylo vysloveno mnoho teorií o píinách vzniku apomixie, je dnes všeobecn uznávaná koncepce ddiné determinace apomixe. K dispozici je však dosud málo experimentálních údaj o typu ddinosti, potu gen a jejich vztazích. Pozornost se sousteuje na objasnní genetické determinace jednotlivých složek apomixie. Klíovými mechanizmy apomixie je modifikace nebo vynechání samií meiózy a podpoení autonomního vývoje embrya ve vajíku. Nejastji jsou uvádny tyto odchylky vedoucí k apomixii: (1) Vynechání heterotypického meiotického dlení, jejímž dsledkem je neredukovaný poet chromozom a vznik neredukovaných diplosporních nebo aposporních zárodených vak. (2) Schopnost genotyp vytváet diplosporní nebo aposporní zárodené vaky. (3) Schopnost neoplozených vajíek k autonomnímu vývoji (partenogenezi). (4) Neschopnost neredukovaných vajených bunk k oplození. (5) Schopnost somatických bunk nucelu a integument pronikat do zárodeného vaku a vytvoit adventivní zárodky (polyembryonie). (6) Na opylení nezávislá schopnost polárních jader nebo sekundárního jádra zárodeného vaku k autonomnímu vývoji endospermu. Huseníek a rýže se staly hlavními rostlinnými objekty pi izolaci odpovídajících gen podmiujících jednotlivé procesy vedoucí k apomixii, a to pedevším prostednictvím mutageneze a získání apomiktických mutant. K objasnní genetiky apomixie pisplo studium populací hybrid získaných kížením Pennisetum squamulatum a Tripsacum dactyloides s kukuicí. Rozšíení apomixie Existuje ada experimentálních dkaz o tom, že apomixie a amfimixie se jako dva základní zpsoby rozmnožování navzájem nevyluují. Naopak se v populacích uritých rostlinných druh asto vyskytují souasn ve stavu urité rovnováhy. Apomiktické taxony obvykle zahrnují pohlavn se množící diploidy a polyploidy, ale také fakultativní apomikty (Poa pratensis). Jiné druhy, nap. Paspalum notatum, se rozmnožuje výhradn apomikticky 9
(obligátní apomixie). Pozitivním aspektem vtšiny apomikt je zachování samí fertility. Naopak, pokud vzniknou rostliny aneuploidní nebo triploidní, tedy sterilní, je to asto spojeno s apomixií. Diploidní partenogeneze u jinak pohlavn se množících druh byla zjištna nap. u rod Fragaria, Solanum, Zea, Primula, Triticum, Petunia, Nicotiana, Brassica aj. Z dalších kulturních rostlin, u kterých je významné apomiktické rozmnožování, mžeme jmenovat Taraxacum officinale a Parthenium argentatum (Asteraceae), druhy rod Malus a Rubus (Rosaceae), dále Poa, Panicum, Paspalum, Pennisetum a další subtropické trávy eled Poaceae. Odrdy druh subtropických rod Citrus, Mangifera a Musa se rozmnožují apomikticky semeny vzniklými adventivní embryonií. Celkov se rzné druhy apomixie zjistily asi u 400 druh a 90 rod krytosemenných rostlin. Pitom se asto vyskytují ve fylogeneticky mladých eledích, nap. Poaceae (tém 60 rod) a Asteraceae (tém 30 rod). Nejastjší je výskyt apomixie u Gramineae, ádu Compositae a eled Rosaceae. Apomixie byla zjištna vtšinou u druh s vyšší ploidií, což také komplikuje její využití ve šlechtní. Byla zjištna jen u nkolika málo zemdlských plodin. Celkem se apomixie pedpokládá asi u 40 eledí Využití apomixie ve šlechtní Detekce apomixie pedcházející jejímu využití je pomrn snadná pi úplné apomixii. Nap. u vtšiny rostlin Taraxacum officinale i po pelivé kastraci jednotlivých kvt a po vylouení možnosti cizosprášení izolací úboru, vznikají normální semena. Naproti tomu ástenou apomixi zjistíme tímto zpsobem velmi tžko. Ješt komplikovanjší jsou pípady pseudogamie, kdy embryo sice vzniká partenogeneticky, vyžaduje však stimulaci opylením. Na pseudogamii mžeme usuzovat tehdy, jestliže po kížení dvou homozygotních rostlin s rznými dominantními geny markery (AA bb x aa BB) bude potomstvo F 1 jednotné a fenotypov shodné s mateskou rostlinou. Zájem o apomiktický zpsob rozmnožování a jeho využití ve šlechtní se sousteuje na nkolik základních oblastí: (1) Pozornost je zamena na ovení biologických a genetických pedpoklad apomiktických forem pi fixaci heteroze u vhodných hybridních kombinací hospodásky dležitých rostlin, bez neustálého opakování kížení pi tvorb hybrid a na snadnjší udržování rodiovských linií. Urité úspchy byly v tomto smru dosaženy u iroku a jiných Poaceae a u nkterých zástupc z eled Asteraceae, nap. u Centaurea cyanus. (2) Nkteré šlechtitelské programy jsou zameny na zvýšení genetické variability hospodásky dležitých apomikt mezidruhovým kížením s pohlavn se rozmnožujícími formami nebo fakultativními apomikty. Obvykle se používá kížení, ve kterém se mateské rostliny opylují pylem obligátních apomikt. Vzniklé heterozygotní potomstvo vykazuje velkou variabilitu jak ve sledovaných znacích, tak i ve zpsobu rozmnožování. Následující výbr je obvykle zamen na hospodásky nejcennjší vysoce apomiktické hybridy. V nkterých pípadech bylo možno tímto zpsobem vybrat i obligátní apomikty (nap. Pennisetum ciliare, Panicum maximum). (3) Další oblast využití je spjata s pedstavou indukce vyšší etnosti haploidní partenogeneze, následným výbrem haploidních rostlin a po jejich diploidizaci rychlým odvozením homozygotních linií. Takové linie se mohou úspšn využít jako rodiovské linie pi tvorb výkonných hybrid. 10
(4) Opakovaný vznik partenogenetických rostlin je asto pozorován v potomstvech mezidruhových i mezirodových hybrid, kdy v dsledku poruch v meióze dochází v nkterých pípadech k tvorb neredukovaných gamet. Jejich vznik v ad pípad umožuje i fixaci amfidiploidního stavu nap. u mezirodových hybrid Haynaldia x Triticum, Triticum x Aegilops. Nejvíce amfiploid s následným praktickým využitím bylo však získáno z kížení Triticum x Secale. (5) Adventivní embryonie je významným zpsobem reprodukce u Citrus sp. a využívá se k získání bezvirózního potomstva. Tento typ reprodukce se prakticky využívá i u dalších rod nap. Mangifera, Malus, Ribes a Beta. K uskutenní uvedených šlechtitelských zámr je nutná zámrná introgrese jednotlivých složek (geneticky kontrolovaných komponent) apomixie do pohlavn se množících hospodásky dležitých rostlin. To je možné bu výbrem rostlin z cizosprašných populací (u samosprašných rostlin se pedpokládá, že jsou tyto geny rychle eliminovány), nebo indukcí mutací. V neposlední ad je to možné uskutenit penosem celých chromozom (nebo jejich fragment) vzdálenou hybridizací z geneticky píbuzných apomiktických forem nebo druh a následným výbrem linií s vhodnými složkami apomixie. K jejich identifikaci se využívají izoenzymové nebo DNA markery. Byly rozpracovány vysoce efektivní metody penosu ástí chromozom, které mohou tento proces podstatn urychlit. Podailo se napíklad penést složky apomixie z Tripsacum dactyloides do Zea mays. K introdukci apomixie byly využity také druhy rod Beta, Malus, Agropyron, Elymus a Solanum. Pokusy o introdukci složek apomixie ze vzdálených píbuzných druh do druh se zemdlským využitím však byly vtšinou neúspšné, protože výsledkem byly jen ásten fertilní apomiktické rostliny. Z tchto dvod se úsilí výzkumných pracovník zamilo na identifikaci a izolaci klíových regulaních gen. Pes mnohaleté úsilí šlechtitel není apomixie ve vtší míe využívána ve šlechtitelských programech a její genetická kontrola není doposud zcela objasnna. Pravdpodobn jde o znak kvalitativní, geneticky kódovaný jedním nebo nkolika geny. U vtšiny sledovaných druh segregovala apomixie jako jeden lokus. U druh Panicum maximum, Ranunculus auricomus a Brachiaria sp. byla zjištna aposporie s monogenní ddiností, kde byla tvorba neredukovaného zárodeného vaku determinována dominantní alelou. Hlavními modelovými druhy pi studiu genetiky diplosporie byly druhy rodu Taraxacum. U nich je gen nebo nkolik málo gen determinujících tento typ apomixie lokalizován na jednom chromozomu. U druh rodu Tripsacum je apomixie kontrolována nkolika tsn vázanými geny a ddí se mendelovsky jako jeden lokus. Výskyt obligátní nebo fakultativní apomixie a odlišný stupe fakultativní apomixie v rámci jednoho druhu naznauje vliv jiných gen, tzv. modifikátor, nebo vliv genetického pozadí. Genetická determinace apomixie Gametofytická apomixe zahrnuje nkolik modifikací pohlavního reprodukního cyklu, jako je apomeióza, partenogenetická tvorba embrya a v nkterých pípadech zmny tvorby centrální buky zárodeného vaku a rzné zpsoby tvorby endospermu. Výzkum provádný v 80. a 90. letech minulého století u nkolika druh naznauje, že apomeióza se ddí monogenn, dominantní alelou. Rzná penetrance genu vysvtluje výskyt fakultativních apomikt. U nkterých druh, jako je Ranunculus auricomus, Pennisetum maximum a Hieracium piloselloides, se apomeióza spolen s dalšími elementy apomiktické reprodukce ddí také jako 1 znak. U druh Taraxacum officinale, Poa pratensis a Erigeron 11
annuus, apomeióza ne vždy kosegreguje s dalšími rysy apomeiózy. U všech testovaných druh je silná suprese rekombinace v okolí lokusu pro apomeiózu, což naznauje, že apomixis je asi kontrolována mnoha geny, které jsou v tsné vazb, geny tvoí jeden nebo dva komplexy. Práce od r. 1999 dokládají nezávislou kontrolu jednotlivých komponent apomeiózy a partenogeneze dominantními alelami majorgen. Ale to nevyluuje, že každá komponenta apomixis mže být kontrolována více geny. Doposud nejsou žádné poznatky o faktorech podmiujících penetranci a expresivitu u rzných genetických pozadí. Genetické nalýzy jsou komplikovány nízkou rekombinací, nepravidelnou segregací a astou polyploidií druh. Nejobtížnjší jsou analýzy tvorby apomiktických semen, protože gametofytická generace je reprezentována jen nkolika málo bukami a je omezena na krátký asový interval. Rozdíly v expresivit a interakce gen jsou zodpovdné za širokou škálu zpsob reprodukce. Aposporie a partenogeneze a také jednotlivé geny segregují nezávisle. Poa pratensis je významná pícnina. Je to aposporní pseudogamní apomikt s 2n=18 až 150. Genetická kontrola apomixis byla studována u ady segregujících potomstev pocházejících z kížení a selfování obligátních pohlavních rodi a fakultativních apomiktických rodi. Výsledkem je model s pti geny s velkým úinkem, které jsou nezbytné pro kontrolu tvorby asexuálních semen: Apospory initiator Apospory preventer Ait aktivace aposporie Apv inaktivace tvorby aposporního zárodeného vaku Megaspore development Mdv tvorba mateské buky megaspóry Partenogenesis initiator Pit aktivace partenogeneze Partenogenesis preventer Ppv inaktivace partenogeneze Rozdíly v expresivit a interakce gen jsou zodpovdné za širokou škálu zpsob reprodukce. Aposporie a partenogeneze a také jednotlivé geny segregují nezávisle. 1. Geny Apv, Ppv brání tvorb aposporního zárodeného vaku a embrya bez oplození. 2. Penetrance a expresivita je úplná u gen Apv a Ppv u rostlin s amfimixií. 3. Recesivní alely apv, ppv tolerují, ale neindukují apomeiózu nebo partenogenezi. 4. Dvojnásobný recesivní homozygot apv apv ppv ppv tvoí apomiktická semena sporadicky. 5. Pro vyšší podíl apomixe existují dva další geny. Dominantní alely Ait a Pit indukují aposporii a partenogenezi. 6. Nejvyšší podíl apomixie je u genotyp Ait - apv apv, Pit - ppv ppv. 7. Obligátní amfimixie je u genotyp ait ait Apv - pit pit Ppv -. 8. Recesivní alela mdv zpsobuje aborci megaspór nebo megagametofyt. 9. Genotyp stabilního aposporního apomikta je Ait - apv apv mdu mdu Pit - ppv ppv. Urete fenotypy k následujícím genotypm: Ait - apv apv (apomikt) ait ait Apv - pit pit Ppv - (amfidiploid) Pit - ppv ppv (apomikt) 12
Je možné šlechtní na apomixis? Testované pístupy introdukce apomixe do kulturních druh: (1) Hybridizace píbuzných druh, apomikt x pohlavn se množící kulturní druh. ele Poaceae má adu apomiktických druh a adu ekonomicky významných druh. V ad program byly snahy penést pseudogamní apomixi do kulturního druhu prostednictvím hybridizace: Tripsacum dactyloides x Zea mays Pennisetum squamulatum x Pennisetum squamosum Hybridizace byla vždy problémová, docházelo ke ztrát apomiktické schopnosti, aborci semen a sterilit v dsledku nerovnováhy endospermu, v dsledku fúze neredukovaných centrálních bunk s haploidní spermatickou bukou. Introgrese autonomní apomixe, která je schopná obejít problémy s endospermem, však není k dispozici u eled Poaceae, ale vyskytuje se jen u eled Asteraceae. (2) Indukce mutací u pohlavn se množícího druhu a výbr rostlin s autonomní tvorbou semen. Byla provádna ada pokus. Jednotlivé dílí znaky byly získány, jako je schopnost tvorby neredukovaných gamet a partenogenetických embryí. Ale nepodailo se získat rostlinu, která vytváí asexuální embrya ve vysokých etnostech. Mutageneze a skrínink apomixe u Arabidopsis: Byly identifikovány ti mutace fis (fertilisation independent seed) fis1/mea (medea) fis2 fis3/fie (fertilization independent endosperm) U mutant docházelo k autonomnímu vývoji centrální buky. Avšak žádná mutace samostatn není schopná indukovat plnou diferenciaci automního endospermu. Dále neexistuje vývoj vajené buky, asi proto, že gen FIS je pozd exprimován. (3) Identifikace alel kódujících apomixi v pírod a jejich využití pi genetické transformaci. Klonování gen pro apomixii z genom rostlin a apomixií je velmi obtížné z rzných dvod: suprese rekombinace v okolí lokusu, polyploidie druh, redukovaná sexualita apomikt. Akoli nkteré lokusy byly zmapovány, žádné nebyly osekvenovány. Je nezbytné aplikovat jiné pístupy, nap. pes mrna. Dosažené výsledky s identifikací gen pro indukci embryogeneze bez oplození. AtSERK1 - gen je exprimován u vajíek ped oplozením a u raných embryí; exprese genu zvyšuje embyogenní potenciál kalus in vitro (výsledky výzkumu r. 2001). BABYBOOM - exprese bhem tvorby semen, in vitro indikuje tvorbu somatických embryí nap. na okrajích list a apikálním vrcholu (výsledky výzkumu r. 2002). Exprese tchto gen stimuluje somatickou embryogenezi in vitro u vegetativních orgán, avšak zdaleka nic neíká o možnosti indukovat partenogenezi v semenech, což je nezbytné pro apomixii. 13
2 Pohlavní rozmnožování a jeho vztah ke šlechtní rostlin Pohlavní rozmnožování je nejrozšíenjším zpsobem rozmnožování vyšších rostlin. Rozmnožovací orgán kvt má tém neomezenou rozmanitost morfologických a fyziologických znak, jejichž kombinace pedstavuje rzná pizpsobení kvt pedevším k efektivnjšímu opylení a regulaci stupn cizosprášení. Jedním z takových pizpsobení je i rzné rozmístní pohlavních orgán v kvtech, na rostlinách a ve skupinách rostlin. V souasné dob je klasifikace typ pohlaví a symboly, které se pro jejich oznaení používají, zcela jednoznaná. Pi klasifikaci je teba rozlišovat typy pohlaví v samostatných kvtech, na celých rostlinách a v rámci skupiny rostlin (obr. 4). 2.1 Typy pohlaví jednotlivých kvt (1) Oboupohlavný (obojaký, hermafroditní, hermaphroditus) - kvt, který má jak tyinky, tak i jeden nebo nkolik plodolist (2) Tyinkový (samí, masculum) kvt, který má pouze tyinky a nemá plodolisty (3) Pestíkový (samií, feminus) kvt, který má pouze plodolisty a nemá tyinky 2.2 Typy pohlaví jednotlivých rostlin (1) Oboupohlavná (obojaká, hermafroditní, hermaphroditus) rostlina, která má pouze oboupohlavné kvty (2) Jednodomá (monoecická, monoická, monoecious) rostlina, která má jak tyinkové, tak pestíkové kvty (3) Samí (androecická, androecious) rostlina, která má pouze tyinkové kvty (4) Samií (gynoecická, gynoecious) rostlina, která má pouze pestíkové kvty (5) Andromonoecická (andromonoecious) rostlina, která má jak oboupohlavné, tak tyinkové kvty (Veratrum album, Astrantia major) (6) Gynomonoecická (gynomonoecious) - rostlina, která má jak oboupohlavné, tak pestíkové kvty (Paraetaria officinalis) (7) Trimonoecická (trimonoecious) rostlina, která má ti typy kvt: oboupohlavné, tyinkové a pestíkové (Saponaria ocimoides) (8) Agamonoecická (agamonoecious) rostlina, která má vedle oboupohlavných kvt ješt kvty bezpohlavné se zakrnlými nebo abortovanými tyinkami a semeníky (Viburnum opulus) 2.3 Typy pohlaví skupiny rostlin (populace, druhu, odrdy) (1) Oboupohlavná (obojaká, hermafroditní, hermaphroditus) skupina, která má pouze oboupohlavné rostliny 14
(2) Jednodomá (monoecická, monoická, monoecious) skupina, která má pouze jednodomé rostliny (Zea mays, Juglans regia, Corylus avelana) (3) Dvoudomá (dioecická, dioická, dioecious) skupina, která má samí a samií rostliny, (Bryonia dioica, Melandrium album, Silene alba, Humulus lupulus) (4) Androdioecická (sub-androecická, androdioecious) skupina, která má rostliny oboupohlavné a samí (Dryas octopetala) (5) Gynodioecická (sub-gynoecická, gynodioecious) skupina, která má rostliny oboupohlavné a samií (Origanum vulgare, Cirsium oleracea, Thymus serpyllum) (6) Trioecická skupina, která má rostliny oboupohlavné, samí i samií (Fraxinus excelsior, Asparagus officinalis) Pehled uvedených typ a používané symboly uvádí obr 4. Výet typ v uvedeném pehledu není vyerpávající a existují ješt další možnosti i varianty, které by vyžadovaly zvláštní popis. Jako píklad mžeme uvést ti varianty jednodomé rostliny: (1) tyinkové a pestíkové kvty jsou rozmístny po celé rostlin (nap. etné odrdy okurek), (2) tyinkové a pestíkové kvty se shlukují v samí a samií kvtenství (nap. kukuice) a (3) v uritém stadiu rstu má rostlina kvty pouze jednoho typu, jako nap. u Arisaema japonica se zpoátku objevují pouze tyinkové kvty, pozdji pouze pestíkové, takže se pi zbžném pohledu jeví rostliny jako dvoudomé. Pi rozdlení rostlin podle pohlaví by byla možná i jiná terminologie (monoecious, andromonoecious, gynomonoecious), jsou to však detaily, které není teba rozvádt. Podstatné je, aby se pesn vymezovalo pohlaví kvt, rostlin a skupiny rostlin (nap. musíme mluvit o tyinkovém kvtu, samí rostlin a dvoudomé populaci). Pevážná vtšina rostlin jsou rostliny oboupohlavné. Uvádí se, že mezi pibližn 120 tisíci druhy krytosemenných rostlin je 86% druh s rostlinami, které mají pohlavní orgány obou typ, 4% druh s rostlinami oddleného pohlaví a 10% druh ostatních. Je vidt, že jednopohlavných forem není v rostlinné íši mnoho. Toto rozdlení je významné z evoluního hlediska, nebo oboupohlavnost spolu s mechanizmy izolace rzného typu dává více možností ve smyslu adaptace k mnícím se podmínkám prostedí než jednopohlavnost. U kulturních rostlin se pohlavní dimorfizmus vyskytuje pouze u nkolika málo druh; u mnoha dvoudomých kultur se objevují pravideln nebo obas oboupohlavné nebo jednodomé rostliny v etnosti závislé na genetických faktorech i vnjších podmínkách. Dvoudomost se u rostlin hospodásky významných vyskytuje hlavn u víceletých plodin. Jsou to nap. Cannabis sativa, Simondsia californica, Humulus lupulus, Piper nigrum, Dioscorea sp., Spinacia oleracea, Asparagus officinalis, Poa arachnifera, Atriplex sp., Ilex aquifolium, Acer negundo, Fraxinus sp., Pistacia vera, Carica papaya, Vitis rotundifolia, Morus alba, M. nigra, Ficus carica a Phoenix dactylifera. U tchto rostlin dochází více nebo mén asto k obligátnímu cizosprášení v závislosti na výskytu oboupohlavných nebo jednodomých rostlin v populacích a na stupni jejich inkompatibility (kap. 6). U oboupohlavných rostlin mžeme pozorovat velkou rozmanitost ve zpsobu rozmnožování. Takovéto rozdíly jsou podmínny jak genotypovou variabilitou uvnit druh, tak vnjšími podmínkami, kterým je tato potenciáln cizosprašná populace vystavena. Podle zpsobu rozmnožování se rostliny rozdlují na samosprašné (autogamní) a cizosprašné (alogamní). 15
Pitom je nutné pedeslat, že samosprašné jsou takové rostliny, u kterých dochází nejen k opylení, ale i oplození vlastním pylem a podobn u cizosprašných rostlin pedpokládáme nejen opylení, nýbrž i oplození cizím pylem. Proto je výstižnjší hovoit o rostlinách se samooplozením a náhodným oplozením. Obr. 4: Schematické znázornní a názvy jednotlivých typ pohlaví u kvt, rostlin a skupin rostlin. 16
3 Zpsoby opylení a oplození u rostlin Na dležitou roli mechanizm opylení pro existenci druhu poukázal už Darwin. I když tehdy ješt neml jasné pedstavy o pvodu genetické variability, podrobn tuto problematiku rozpracoval a popsal tém všechny známé mechanizmy cizosprášení u rostlin (rznopohlavnost, protandrii, protogynii, inkompatibilitu a rzné modifikace kvtu a pizpsobení hmyzím opylovam), pozoroval i inbrední depresi a v této souvislosti poukázal na dležitost mechanizm cizosprášení. Poátení popisné morfologické metody byly vystídány funkním pístupem. Vlivem prací, které se zabývaly vzájemnými souvislostmi mezi opylovai a strukturou kvtu, se zaaly studovat takové oblasti jako indukce kvetení, genetické aspekty tvorby pylu, fyziologie a ddinost inkompatibility, ddinost samí sterility apod. Mechanizmy kontrolující systém opylení, a už zajišuje samosprášení i cizosprášení, se vyskytují v mnoha rzných formách. Pro jejich správné pochopení je však zapotebí studovat jak strukturní tak i funkní aspekty biologie kvt. Píinné spojení mezi strukturou kvtu a zpsobem opylení je zejmé pi pohledu na jejich evoluci. Strukturální pizpsobení k cizosprášení mohou být asto pouze evoluním reliktem, na který se navrstvil nový mechanizmus rozmnožování. Mžeme uvést mnoho píklad: nap. rozdlení pohlaví mezi rzné rostliny (dvoudomost) zabezpeuje obligátní opylení a oplození cizím pylem (nap. u špenátu). Nkteré dvoudomé rostliny se však navzdory tomu rozmnožují apomikticky (nap. Simondsia chinensis). U bobovitých jsou kvty pizpsobeny k opylování hmyzem. V nkterých pípadech skuten tato pizpsobení slouží cizosprášení (nap. u Vicia villosa, Medicago sativa, Trifolium pratense), v jiných pípadech se však jejich pomocí uskuteuje samoopylení (nap. u Vicia sativa, Medicago hispida, Trifolium fragiferum). Dalším píkladem jsou rostliny eled Poaceae, z nichž vtšina je pizpsobena opylení vtrem (prašníky se vysunují a visí z kvtu ven). Avšak nacházíme mezi nimi vedle cizosprašných (Secale cereale, Hordeum bulbosum, Setaria sphacelata) i samosprašné druhy (Triticum aestivum, Hordeum vulgare, Setaria italica). U pšenice prašníky dozrávají a zabezpeují samoopylení ped tím, než se vysunou z kvtu. Chazmogamní (otevené) kvetení však dovoluje i náhodné cizosprášení. Zkoumáme-li mechanizmy opylení, mžeme íci, že obecn je mén obtížné zabezpeit úinné samosprášení než stejn úinné cizosprášení, ponvadž samosprášení nevyžaduje genetickou rozdílnost mezi individui. Zábrana cizosprášení je tém vždy zajištna kleistogamií (opylením uvnit zaveného kvtu) nebo mechanizmy podobného úinku. Pravá kleistogamie se vyskytuje nap. u trávy Danthonia californica a Festuca megalura. Mechanizmy zajišující samosprášení však podléhají modifikacím jak genetickým, tak podmínným prostedím. U rajete, kde dochází k opylení v oteveném kvtu, je samoopylení zajištno tím, že kuželovit srostlé tyinky obepínají bliznu. Existují však i odrdy s odlišnou morfologií kvt, která umožuje cizosprášení. Je známo i mnoho mechanizm zabezpeujících cizosprášení. Je to pedevším asov nesynchronní dozrávání prašník a schopnosti blizny pijmout pyl. Tak nap. u karotky a maliníku dozrává díve pyl (tzv. protandrie) a u vlašského oechu a avokáda dozrává díve blizna (tzv. protogynie). Jiným píkladem prostedku cizosprášení je uzpsobení kvt vojtšky. Ty jsou uspoádány tak, že blizna, uložená uvnit kvtu ve lunku, se mže uvolnit z kvtu ven pouze tehdy, jestliže njaký hmyz velikosti meláka dosedne na kvt, a tím vyvine na lunek uritý tlak. V okamžiku, kdy se blizna dostane ven, ote se o hmyz, který zpsobil její uvolnní, a tím se na bliznu dostane cizí pyl, který hmyz na svém tle pinesl. 17
O podobných prostedcích k zabezpeení cizosprášení je známo pomrn málo. Mohou však být velmi efektivní, jako nap. u kukuice, která je vysoce cizosprašná (90% i více) v dsledku kombinace monoecie a protandrie. Podobn je tomu u cukrové epy a jetele luního. Vysoký stupe cizosprášení u tchto druh nemusí být podmínn pouze dichogamií (tj. nestejným asovým dozráváním blizen a prašník). Nap. u jetele luního se k protandrii pipojuje ješt vysoký stupe autoinkompatibility (kap. 6). Také vojtška má krom popsané entomofilie uritý druh inkompatibilního systému. U vojtšky byla dokonce nalezena tzv. somatoplastická sterilita, kdy embrya pocházející z autogamie pežívají he než embrya z alogamie. Somatoplastická sterilita tedy zjevn zvýhoduje heterozygotnost. Je-li o úinnosti takovýchto prostedk cizosprášení známo málo, ješt mén je známo o jejich genetické kontrole. Jak již bylo eeno, nejnápadnjším z geneticky kontrolovaných systém alogamie je dvoudomost. Ta však nevyluuje kížení bratr x sestra a podobné formy inbridingu. Mnohem dležitjší než dvoudomost je v tomto smyslu autoinkompatibilita, o které pojednává samostatná kapitola. Uvedené mechanizmy opylení vedou ke dvma základním zpsobm oplození: autogamii (samosprášení, samooplození) a alogamii (cizosprášení, náhodné oplození). Má se za to, že samosprašné druhy vznikaly vtšinou z druh cizosprašných. Populace alogamních druh vykazují vzhledem ke své genetické variabilit vtší pizpsobivost (flexibilitu) ke zmnám prostedí než geneticky uniformjší autogamní druhy. Autogamní druhy naopak vzhledem k vysoké homozygotnosti jsou schopny vysoké bezprostední fitness. To jim dovoluje elit uritým krátkodobým požadavkm prostedí lépe než jejich variabilnjším cizosprašným pedkm. Tato teorie se dobe hodí na situaci u kulturních druh, z nichž mnoho je samosprašných snad proto, že prvotní dležitost byla spjata s vysokou bezprostední fitness pi jejich kultivaci. 3.1 Autogamie Na evoluní strategii samosprašných rostlin se musíme dívat pedevším jako na reakci na urité životní podmínky. Je to nap. jejich zvýhodnní pi osídlování nového prostoru, kdy je zapotebí zabezpeit rychlé rozmnožování a kdy vytvoení homogenní populace mže být výhodné. U kulturních rostlin se na poátku jejich domestikace provádl výbr na genetickou stabilitu a dobré produkní vlastnosti. U mnoha samosprašných rostlin mžeme skuten vysledovat jejich evoluci až k cizosprašným pedkm. Taková evoluce probíhala s nejvtší pravdpodobností cestou postupného pizpsobování systém kížení (ztráta autoinkompatibility, strukturní pizpsobení kvtu) a omezováním efektivní velikosti rozmnožující se ásti populace. Variabilita v autogamních populacích Akoliv pevládající samoopylení zmenšuje možnost genetické kombinace a rekombinace, neznamená zaátek konce evoluního procesu. Vyplývá to z toho, že nkteré autogamní skupiny rostlin pežívají svoje alogamní píbuzné a že se v inbredních populacích udržuje uritá úrove genetické variability. Omezení genetické rozmanitosti inbridingem se mže kompenzovat takovými faktory, jako je krátká perioda pohlavní generace, vtší poet chromozom, vysoká fertilita hybrid aj. Avšak genetická rozmanitost v populacích inbredních rostlin je podmínna hlavn lokální diferenciací v ekologických nikách. 18
Zkušenosti šlechtitel ukazují na to, že tém u každé autogamní odrdy se uchovává v uritém stupni zbytková heterozygotnost a jako odpov na usmrnnou selekci potomstva jednotlivých rostlin pak asto dochází ke zlepšení odrdy. To znamená, že genetický polymorfizmus u samosprašných druh má velký význam v metodologii šlechtní. V populacích samosprašných rostlin se asto setkáváme s mechanizmy, které napomáhají udržet v populaci urité nezanedbatelné procento heterozygot. Vedle již zmínného náhodného cizosprášení je to selekní zvýhodnní heterozygot, které mže být zvýraznno ješt selekcí závislou na etnosti genotyp. Pechodu systému kížení od obligátního cizosprášení k samosprášení musí pedcházet poruchy herkogamie (tj. prostorového rozdlení orgán v kvtu), dichogamie a autoinkompatibility. V takovémto pechodu mžeme odlišit adu stadií. Nucené samoopylení pi pozdním kvetení, které zajišuje oplození v tch pípadech, kdy se cizosprášení z jakýchkoliv píin neuskutenilo. Mechanizmus takového opylení mže být založen na zmnách polohy prašník a blizny pi pozdním kvetení, na stupni pekrývání period zralosti blizny a uvolování pylu u dichogamních rostlin nebo na oslabení mechanizm autoinkompatibility (nap. sníženým vyluováním látek, které v blizn brání samooplození). Dalším stadiem vývoje autogamie je nepravidelné samoopylení, které je jako doplující k cizosprášení. Smíšené cizosprášení a samosprášení je výsledkem narušení mechanizmu cizosprášení, ješt úpln nenahrazeného mechanizmy autogamie. Další etapou jsou strukturní a poziní zmny oboupohlavného kvtu vedoucí k funkní autogamii. Dále mže dojít k samoopylení ješt ped oteveným kvetením, což iní chazmogamii funkn zbytenou. Konen kvt vbec nerozkvétá a opylení se uskuteuje v uzaveném poupti (kleistogamie). Kleistogamie S kleistogamií se setkáváme u kulturních rostlin pomrn asto, zídkakdy však bývá obligátní pro celý druh. Mechanizmus kleistogamie je založen na synchronním dozrávání pylu a blizny v uzaveném kvtu. astá pítomnost pechodných typ kvt ukazuje na to, že kleistogamie je stavem odvozeným od chasmogamie. Základem pro vznik zcela uzavených kvt jsou kvty, které se zavírají za nepíznivého poasí (ekologická kleistogamie). Pro kleistogamní kvty je charakteristické, že mají menší rozmry a je jich také menší poet. V ad pípad se ukazuje, že kleistogamie je kontrolována geneticky (nap. u iroku a rýže). Ekologická kleistogamie je pizpsobením, které zajišuje opylení v nepíznivých podmínkách (vliv sucha, tepla, zastínní, výživy apod.) V tomto smyslu se mže kleistogamn-chasmogamní typ kvtního dimorfizmu stát sezónním. Nap. kvty Oxalis acetosella a Viola odorata jsou kleistogamní, jsou-li zastínny jinými rostlinami. Tento kvtní dimorfismus se vyskytuje asto u trav, u Bromus catharticus se pi suchém a teplém poasí tvoí mnoho kleistogamních kvt. Podobn u B. carinatus se ve stresových podmínkách tvoí na okrajích laty kvty kleistogamní, zatímco v jejím stedu jsou kvty chasmogamní. Ukázalo se, že dva typy kvt u kleistogamn-chasmogamních rostlin mohou mít i rozdílnou fertilitu. Nap. u Viola odorata bylo zjištno, že chasmogamní kvty nejsou funkní a že semena se tvoí pouze v kvtech kleistogamních. Zajímavým pípadem je Lithospermum caroliniense, kde systém heteromorfní inkompatibility (viz dále) je doplnn autoinkompatibilitou kleistogamních kvt. Kleistogamní kvty pak dávají více semen než kvty chasmogamní, což má vliv na zvýšení podílu inbredních rostlin v potomstvu, než by se oekávalo podle zastoupení kleistogamních kvt v populaci. U mnohých trav naopak 19
kleistogamní kvty na okrajích kvtenství zídka tvoí semena v dsledku nedostatku výživných látek. U trav se vyskytuje také tzv. konstituní kleistogamie, která je podmínna genetickými faktory (nap. u Festuca microstachys, u nkterých druh iroku a rýže a u jemene). U nkterých rostlin vykazuje kleistogamie a chasmogamie vazbu na pohlaví, nap. nkteré druhy Plantago mají oboupohlavné kvty kleistogamní a pi samoopylení dávají pouze kleistogamní potomstvo. Kížením tchto kleistogamních a chasmogamních jednopohlavných samích rostlin vznikne pouze chasmogamní samí potomstvo. Chasmogamie Existují etná pizpsobení, která napomáhají samosprášení i v kvtech, které se normáln otevírají. Opylení nkterých rostlin mžeme charakterizovat jako smíšené cizosprášení a samosprášení (Vicia faba, Capsicum annuum, C. frutescens), jejichž pomr znan kolísá v závislosti od genotypu, klimatu, množství opylova, apod. Existuje také mnoho pípad vynuceného samoopylení zpsobeného oslabením mechanizm cizosprášení. Mezi normáln protogynickými rostlinami mže být dichogamie pekonána, není-li pítomen cizí pyl (nap. u Gerbera viridifolia). U starých kvt mže být zeslabena autoinkompatibilita (u Sinapis alba nebo Brassica campestris), nebo pi nepítomnosti cizího pylu pi pozdním kvetení mohou být kvty opyleny vlastním pylem (u nkterých odrd Helianthus annuus a Rubus idaeus). Autogamie a šlechtní rostlin Pi šlechtní, kdy používáme pedevším rzná kížení rostlin, jsou u autogamních druh nejdležitjší metody kastrace oboupohlavných kvt, sbr pylu a opylení cizím pylem, dále pak je nutné zabezpeit izolaci kvt, jejich oznaení a selektivní sbr plod nebo semen. Výbr a efektivní kastrace závisí na morfologii a velikosti kvtu, dob otvírání prašník, ekonomických aspektech, aj. Kastrace mže být uskutenna mechanickými, chemickými a genetickými prostedky. Mechanická kastrace zahrnuje odstranní pylových zrn, prašník, jednotlivých tyinek nebo srostlých tyinek, i celých kvtních plátk s pirostlými tyinkami. Obecn se doporuuje co nejšetrnjší zásah do kvtu. Nejastji se odstraují tyinky tsn ped otevením prašník. K tomu je poteba u každé kultury pesn stanovit nejvhodnjší dobu kastrace, která se vtšinou udává stadiem vývoje poupte. K minimalizaci nebezpeí samosprášení se pro kastraci volí vhodná denní doba (kdy je nejvyšší vlhkost vzduchu a možnost prasknutí prašníku je malá), nástroje se omývají v alkoholu, apod. Jinými variantami mechanické kastrace je odplavování pylu proudem vody, která se používá pi výrazné protandrii kvt (nap. u salátu). Nkdy je možné použít odsávání prašník vzduchem (nap. u rýže) nebo máení kvt na nkolik minut do vody teplé 40 až 44 C (irok, rýže) nebo vystavit kvty nízkým teplotám (na 10 min. do vody 0 až 4 C, nap. rýže). Pi chemické kastraci se používají chemické preparáty, tzv. gametocidy, které zabraují klíení pylu, avšak nepoškozují bliznu, nebo androeceum je obvykle citlivjší než gynaeceum. Úspšn bylo vyzkoušeno mnoho chemických látek, hlavn retardant, nap. etylalkohol u vojtšky, dichloracetát sodný u hledíku, maleinhydrazidová kyselina u rajete, 20
aj. K tmto úelm byly použity i nkteré rstové látky, které zpsobují anomálie v mikrosporogenezi. Takto psobí nap. giberelin u cibule a cukrové kukuice. Giberelin mže v nkterých pípadech indukovat heterostylii (nap. u rajete), a tak funkn zasahovat do procesu samoopylení. Problém širokého použití chemické kastrace spoívá v potížích pi pesném stanovení vhodného stadia mikrosporogeneze, v nesynchronním vývoji kvtních poupat na rostlin aj. Hned po kastraci (stejn jak po vlastním opylení) je teba kastrované kvty i kvtenství izolovat a zabránit tak pípadnému nekontrolovanému opylení cizím pylem. Používají se k tomu rzné celofánové, papírové nebo pergamenové sáky a každé kížení se oznaí štítkem. Nejefektivnjším prostedkem je genetická kastrace, tj. samí sterilita a autoinkompatibilita, kterým jsou vnovány kapitoly 5. a 6. Pi sbru pylu ped vlastním opylením se sbírají prašníky donora ješt ped otevením a nechávají se dozrát v kontrolovaných podmínkách. V nkterých pípadech se používají speciální pístroje kolektory pylu založené na principu vibrace i vakuové aspirace. Pi penosu pylu se nkdy pímo nanáší pyl ze zralých prašník donora na bliznu mateské rostliny. Runí opylení je však pracné a v semenáství vtšinou ekonomicky nevýhodné. Využití pirozených opylova pi umlém opylení odstrauje práci pi sbru pylu i pi vlastním opylení. Pi tomto zpsobu opylení však musí být splnno mnoho podmínek: kastrované nebo autosterilní mateské rostliny, synchronizovaný vývoj mateských a otcovských rostlin, dostatená produkce pylu, dostatené množství opylova apod. Pi umlém opylení se pyl nanáší na blizny rznými nástroji nebo se shromáždný pyl smíchá s njakou inertní látkou (kukuiná nebo pšeniná mouka, uhelný prach, prášková celulóza aj.) a tak se snáze rovnomrn nanáší na mateské rostliny. Pro urité významné rostlinné druhy existují prakticky vyzkoušené speciální postupy umlého opylování. Nap. u pšenice se mateský klas s kastrovanými kvty uzave do izolátoru (sáku) spolu s klasem otcovské rostliny. Otcovský klas je umístn nad mateským a jeho stopka je ponoena v malé ampulce s vodou, aby bylo zabezpeeno dozrávání pylu a jeho samovolné vypadávání na kvty mateské rostliny. Píklady hospodásky významných autogamních rostlin jsou uvedeny v tab. 1. Tab. 1: Píklady hospodásky významných autogamních rostlin s pípadným podílem alogamie. ele Druh % náhodného oplození Asteraceae Bellis perennis Callistephus chinensis 10 Mouchy Cichorium endivia 15 Mouchy Pozn. (penosci pylu, modifikace kvtu aj. ) Lactuca sativa 1-6 Mouchy, ásten kleistog. Poaceae Avena sp. 3-10 Vítr, vtšinou kleistogamní Hordeum vulgare Panicum miliaceum 10 Vítr Vtšina odrd kleistogamní Triticum sp. až 6 Vítr, vtšinou kleistogamní 21